Економічні методи компенсації перекосу запобігають перевантаженню підшипників та передчасному виходу з ладу порталу

Інструменти для вирівнювання порталів

Коли виробники систем позиціонування створюють портальну систему, вони зазвичай використовують спеціальні інструменти для вирівнювання під час процесу складання, щоб забезпечити відповідність вимогам щодо зусилля, точності та терміну служби.

Лазерні інтерферометри часто використовуються для вирівнювання машин з точністю порядку мікронів та дугових секунд. Наприклад, лазерний інтерферометр від Renishaw допомагає вирівняти площинність, прямолінійність та перпендикулярність портальних рейок.

Інші інструменти, такі як лазери для вирівнювання від Hamar, використовують обертові лазерні промені як прецизійні опорні площини в просторі з датчиками, розміщеними на рухомому повзуні. Регулювання гвинтів для вирівнювання рейок або встановлення прокладок під рейками дозволяє виставити рейку або платформу в потрібне положення. Вирівнювання рейок з високою точністю може зайняти дні або тижні залежно від рівня точності, розміру та конфігурації машини.

Для потреб вирівнювання з меншою точністю використовуються різні механічні компоненти, включаючи електронні нівеліри, індикатори годинникового типу, лінійки та паралельні балки. За допомогою них техніки вирівнюють головну рейку за допомогою індикатора годинникового типу відносно точної монтажної поверхні або лінійки. Після того, як одна рейка затягнута до необхідної точності, вздовж неї направляється повзун, одночасно затягуючи болти другої плаваючої рейки за допомогою індикатора годинникового типу або напрямного повзуна.

Незалежно від методу вирівнювання, він повинен гарантувати, що залишкове перекісування не створюватиме зусиль на рейки сцени, що може призвести до короткого терміну служби або катастрофічної поломки.

Портальні системи, які іноді називають декартовими роботами, є ідеальними системами позиціонування для автоматизованих ліній переміщення. У цьому типі виробничого процесу безперервний або індексний конвеєр переміщує деталі з однієї портальної станції на іншу. Кожна портальна станція вздовж конвеєрної лінії маніпулює інструментом відносно деталі для виконання виробничих операцій, таких як обробка, склеювання, складання, перевірка, друк або упаковка. Портальні системи зазвичай використовуються для позиціонування виробів на автоматизованих лініях переміщення.

Зрозуміло, що надійність кожної машини в роботі передавальної лінії повинна бути надзвичайно високою, щоб мінімізувати час простою, оскільки простій однієї машини може призвести до дорогої зупинки всієї передавальної лінії. Крім того, портали містять багато критично важливих елементів, таких як контролер, підсилювач, двигун, муфта, виконавчий механізм (наприклад, кульковий гвинт, ремінний або лінійний двигун), рейки, повзун, основа, упори, енкодер і кабелі. Надійність усієї портальної системи є статистичною сумою надійності всіх компонентів.

Для високої надійності системи кожен компонент має бути розрахований таким чином, щоб його навантаження під час роботи не перевищувало номінальних значень. Хоча вибір розміру кожного компонента може бути простим інженерним завданням, як це рекомендовано виробником компонента, режими руйнування лінійних рейок є дещо складнішими. Вони залежать, окрім вантажопідйомності, розміру та точності, від їхньої точної орієнтації в просторі.

Проблеми з перекосом

Майже кожен виробник лінійних рейок погоджується, що перекіс призводить до проблем. З усіх факторів, що сприяють передчасному виходу з ладу лінійних підшипників, перекіс посідає одне з перших місць у списку.

Це класифіковані несправності перекосу рейок, які включають:fозернийвидалення матеріалу з поверхні рейки;носити: результати надмірного тертя;відступ: кульки деформують рейки; тапошкоджені частинидеформовані рейки через падіння кульок з рейкових канавок.

До поширених причин перекосу рейок належать відсутність площинності, прямолінійності, паралельності та компланарності лінійних рейок. Ці причини можна мінімізувати або усунути за допомогою належних методів складання та вирівнювання, що, у свою чергу, мінімізує перевантаження рейок. Інші першопричини виходу з ладу лінійних рейок включають недостатнє змащування та потрапляння сторонніх частинок, які можна зменшити за допомогою належного герметизування та періодичного змащування. Хоча вони важливі, вони виходять за рамки цієї статті.

Основи вирівнювання

Портальні рейки зазвичай містять рециркуляційні кулькові підшипники, які попередньо навантажені в їхні канавки для забезпечення високої жорсткості. Висока жорсткість і низька рухома маса є критичними характеристиками порталу, оскільки вони визначають найнижчу власну частоту системи. Висока власна частота, порядку 150 Гц, необхідна для високої смуги пропускання позиціонування. Висока смуга пропускання позиціонування, порядку 40 Гц, необхідна для високої динамічної точності. Висока динамічна точність, така як постійна швидкість з похибкою позиціонування в кілька мікронів або низький час встановлення, порядку кількох мілісекунд до субмікронного вікна встановлення, необхідні для високої якості деталей і високої продуктивності відповідно. Ці характеристики зазвичай потрібні за суперечливих впливів високого прискорення та плавного руху в таких процесах, як перевірка друкованих плат, струменевий друк і лазерне скарбування.

Для забезпечення високої жорсткості порталу — порядку 100 Н/мкм — підшипники попередньо натягуються. Однак будь-яке зміщення між двома сторонами порталу порядку десятків мікрон, як у вертикальному (площинність), так і в горизонтальному (прямолінійність) положенні, може значно збільшити навантаження на підшипник. Це, у свою чергу, може призвести до катастрофічного руйнування через випадання кульок з канавок підшипника або глибокі заглиблення в рейках. Менші деформації підшипника все ще можуть суттєво скоротити термін служби підшипника.

Для вирівнювання лінійних рейок з точністю до 10 мікронів на великих відстанях переміщення (близько 1-3 метрів) потрібні дорогі інструменти, такі як лазерний інтерферометр та спеціальні пристосування. Ці інструменти можуть бути недоступні для звичайного кінцевого користувача або системного інтегратора. Без цих інструментів перекіс рейок може бути основною причиною низької надійності системи, високих витрат на обслуговування, простоїв та короткого терміну служби системи.

На щастя, існують різні перевірені на практиці варіанти компенсації неспіввісності, які можуть не вимагати складних інструментів для вирівнювання, але забезпечують високу цінність, зменшуючи потенційно негативні наслідки неспіввісності рейок. Ці пристрої для компенсації неспіввісності стають невід'ємними частинами рами порталу та забезпечують необхідний ступінь свободи для запобігання перевантаженню підшипників у різних кріпленнях порталу та конфігураціях приводів осей.

Кінематика неспіввісності

Щоб зрозуміти, як працює компенсатор перекосу, необхідно розуміти кінематичні характеристики компенсатора як частини його портальної системи. Як приклад, на супровідній 3D-схемі порталу показано чотири опори. Основи ступенів X₁(зв'язкова ланка 10) та X₂(посилання 1) показані перебільшено нерівними по тангажу, рисьханню та крену відносно один одного, а також по площинності та паралельності. Припустимо, що лівий X₁Каретка (9) є моторизованим головним елементом і має сферичний шарнір (j), який підтримує платформу Y (4). Протилежний моторизований правий X₂Стойка (3) має одне сферичне з'єднання (b) та одне лінійне повзунне з'єднання (c), які підтримують стоїцю Y. Інші каретки X (7 та 6) є натяжними роликами та також підтримують стоїцю Y за допомогою сферичного з'єднання та лінійного повзуна.

Потім, підрахувавши загальну кількість ступенів свободи та віднявши загальну кількість обмежень, отримаємо 1 ступінь свободи. Це означає, що тільки головна вісь X може рухатися незалежно, а всі інші ланки рухатимуться за нею. У цьому випадку, якщо інший незалежний двигун приводить в рух іншу вісь X, може виникнути надмірне навантаження на рейки. Це небажана конфігурація для довгих ступеней Y, і тому інженери повинні внести коригувальні зміни, щоб друга вісь X могла рухатися незалежно від першої вісі X.

Додавання ще одного ступеня свободи до системи, наприклад, для веденого пристрою X, означає додавання ще одного ступеня свободи до одного з шарнірів. Поширене виправлення в таких конфігураціях дозволяє одному натяжному ролику ковзати зі ступенем свободи в напрямку Z, наприклад, між сферичними шарнірами d та ковзним шарніром e.

Результатом буде кінематичне кріплення для платформи Y у з'єднаннях b, j та i, що враховує 3D-орієнтацію площини платформи 4 без будь-яких обмежень. Однак, щоб запобігти опорі платформи 4 лише в трьох кутових точках, загальноприйнятою практикою є додавання певної податливості в напрямку Z між з'єднанням d та повзуном e, щоб прийняти частину навантаження. У деяких випадках гнучкість ланки 4 може бути достатньою; в інших випадках можна використовувати шайбу Бельвіль, що відповідає вимогам.

Конструкції компенсаторів

Інтегровані компенсатори неспіввісності призначені для двовимірних конфігурацій порталів. Конструкція включає дві пластини, що оточують вигин, що забезпечує лінійний ступінь свободи в напрямку Y.

Розглянемо дві конструкції компенсатора неспіввісності. Одна — це складне обертове з'єднання з лінійним повзунним з'єднанням для тривимірної конфігурації порталу. Друга — це інтегроване обертове з'єднання з лінійним згинним з'єднанням для двовимірної конфігурації порталу. У двовимірній версії припустимо, що рейки порталу X₁і Х₂є компланарними.

Конструкція складних з'єднань.Розглянемо застосування порталу в процесі виробництва банок. Портал використовує два ремінні приводи, які підтримують міцну зварну раму на чотирьох повзунах. Серводвигун приводить у рух кожен портал у конфігурації "головний-підлеглий". Ремінь приводить у рух один повзун кожного повзуна, а інший повзун є натяжним роликом.

Ступінь, зібраний кінцевим користувачем, передчасно вийшов з ладу в підшипнику платформи. Проблему було вирішено шляхом додавання чотирьох легкодоступних стандартних сферичних шарнірів, встановлених на чотирьох лінійних напрямних, до чотирьох напрямних двох лінійних напрямних платформ гантрі. Щоб узгодити конфігурацію з раніше обговорюваним порталом, один напрямний був «заземлений» за допомогою стопорної пластини. Переробка повністю вирішила проблему.

Недоліком використання такого компенсатора, однак, є суттєве збільшення висоти, що може вимагати змін у Z-ступені.

Конструкція з інтегрованими з'єднаннями.Вбудований компенсатор неспіввісності може використовуватися в 2D-конфігураціях гантрі. Конструкція включає дві пластини. Одна пластина має монтажні отвори до повзуна гантрі по осі X, а інша пластина має монтажні отвори до основи поперечної осі Y. Підшипник у центрі з'єднує дві пластини.

Крім того, одна пластина містить згин, який забезпечує лінійний ступінь свободи у напрямку Y. Щоб використовувати один і той самий компонент для всіх з'єднань, можна використовувати два болти для «заземлення» лінійного ступеня свободи згину та збереження лише свободи обертання між двома пластинами. Згин розрахований на роботу при максимальному прогині нижче межі втоми.

Нарешті, щоб запобігти, у випадку двовимірних конфігурацій порталу, навантаженню згину згинаючим моментом навколо осі Y, чотири стопорні болти сприймають моментні навантаження.

Переваги цієї конструкції включають інтегровані компоненти, низький профіль, компактний розмір та легкість монтажу на існуючі портальні платформи менш ніж за 15 хвилин.